镍铁渣粉水泥土的固化机理试验研究

陈 金 辉

(中国电建集团福建工程有限公司，福建 福州 350008)

水泥土是指在原状土或经捣碎后的土样中掺入水泥、水、外掺剂等物质后将其搅拌均匀，然后再经过一定养护时间形成的一种与原状土相比在整体性、坚固性、水稳定性等都大大提高的土木工程材料[1-2]。水泥土在我国沿海地区工程建设的地基处理中发挥着不可替代的作用，在海相环境下加固形成的水泥土加固体长期处于海水环境中，其中可溶盐离子对水泥土加固体会产生侵蚀作用，使水泥土的成分和结构发生改变，甚至会出现强度降低渗透性增大等劣化现象。胡建林等[3]研究了玄武岩纤维对水泥土力学性能的影响效应。袁诚[4]研究了水泥土在我国水利工程中的应用。曹洋等[5]研究了钉型水泥土搅拌桩加固软土路堤。安学军等[6]研究了水泥土搅拌桩围井的应用。

镍铁渣是镍铁工业生产中高温熔融下还原提取镍和部分铁后经水淬急冷产生的粒化工业废渣。镍铁渣粉具有一定潜在活性、耐久性及其资源循环利用等特点[7]，许多学者对镍铁渣进行了研究，如林丹军[8]研究了镍铁渣粉对水泥砂浆性能的影响；何型江[9]研究了高炉镍铁渣粉用作混合材对水泥性能的影响；王强等[10]研究了镍铁渣粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响；齐太山等[11]作了高炉镍铁渣粉在水泥基复合胶凝材料中的水化特性研究。水泥土的固化机理也是众多学者研究的方向，如王文军[12]进行了纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究；贾尚华[13]进行了石灰水泥复合土固化机理及力学性能的试验研究；杨国辉[14]的水泥土固化过程的交流阻抗分析；齐太山等[15]研究了水泥土强度特性及固化机理；盛明强等[16]做了稳定技术与固化土性质研究；陈越[17]做了固化机理和效果的研究；栗霞等[18]做了水泥土强度特性及固化机理研究。

本文从滨海区域工程实际出发，将镍铁渣粉等量替代水泥质量掺入到水泥中，主要结合XRD试验、SEM试验和压汞试验对镍铁渣粉水泥土的固化机理进行分析，从而实现以宏观和微观相结合的方式来说明试验结果和试验现象，考察其在海洋环境下的强度及抗渗性能。

1 试验原理与方法

镍铁渣粉水泥土的固化机理和微观结构是非常复杂的，在有限的条件下无法对其每一个方面都进行比较详细与全面研究，因此，本研究选择了较有代表性的方面进行试验研究。

1.1 试验试件

试件用土料取自福州某地铁站基坑内，原状土的物理力学性质指标，见表1。水泥采用炼石牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥，见表2。镍铁渣粉是以等量取代水泥作为掺和料掺入到水泥土中的，取代量分别为水泥质量的0%、10%、20%、30%、40%。镍铁渣粉的化学成分，见表3，镍铁渣粉配比类型及数量表，见表4。将原材料注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块，待试块养护到一定龄期形成试件。

表1 土样的部分物理力学性质指标统计

表2 炼石水泥的化学成分

表3 镍铁渣粉掺和料的化学成分

表4 镍铁渣粉配比类型及数量

1.2 XRD试验

试验对镍铁渣粉的不同配比进行试验分析，然后将利用Jade软件进行试验数据处理，对物质进行基本的定性分析，得出不同方案的差异性，以从一定角度说明镍铁渣粉掺入对物质的影响。镍铁渣粉的不同配比表见表4。XRD试验所用样品制作包括两部分，首先制作水泥石和镍铁渣粉水泥土，然后制作符合规范的XRD粉末。

1.3 SEM试验

SEM试验利用扫描电镜进行微观试验，主要是观察不同龄期，不同试验方案中水泥水化物质的生成情况，物质的致密程度和孔隙的大小，镍铁渣粉在水泥土中所处的情况，以及随着龄期的增长，镍铁渣粉微观形貌等的变化，将能比较直观的对镍铁渣粉水泥土强度的增长和性能的变化进行合理的解释。

SEM试验所用的是1.1的试验试件。敲碎试验试件，从试块内部选取上下表面尽量平整，厚度小的小薄片，将其放入无水乙醇浸泡24 h，放入烤箱烘干，即制成SEM试验样品。

1.4 压汞试验

压汞试验是测量材料孔结构的一种有效试验方法，通过对试验所得的数据进行处理，可以获得材料的孔隙率、临界孔径、最可几孔径、孔径分布等信息。

压汞试验所用的是1.1的试验试件。敲碎试验试件，随机从被敲碎的试块中选择大小尺寸合适的颗粒，将其放入无水乙醇浸泡24 h，然后放入烤箱烘干，即制成压汞试验样品。

2 水泥土固化机理

2.1 水泥石与镍铁渣粉水泥土XRD试验结果与分析

2.1.1 水泥石

不同镍铁渣粉掺量水泥净浆在7 d、28 d、60 d龄期的水化产物生成情况如图1—图3所示。图中数字代表物质解释如下：1为Ca(OH)2，2为C3S，3为C2S，4为CaCO3，5为SiO2。根据图1—图3水泥石XRD的图谱试验结果进行分析：

(1) C-S-H。水泥的水化过程中会生成大量的C-S-H胶凝(主要为C3S和C2S水化所生成)。但C-S-H的化学成分不稳定，在水泥的水化产物中很难将不同种类的C-S-H区分开来，所以本试验的XRD图谱中并未监测到C-S-H的存在。

(2) C3S和C2S。C3S和C2S为参与水化反应的主要矿物，随着龄期的增长，水泥中的C3S和C2S不断参与水化反应。

(3) Ca(OH)2。Ca(OH)2是水泥水化的主要产物之一。通过水泥石的衍射图谱可知，在衍射图谱中可以看到明显的尖而细的衍射峰，但是在7 d、28 d、60 d龄期水泥石中Ca(OH)2的衍射峰值均会随着镍铁渣粉掺量的增加而减小，从而说明镍铁渣粉的掺入会对水泥石中Ca(OH)2的结晶情况产生较大的影响。

(4) CaCO3。CaCO3是样品在测试和保存过程中受空气中的CO2碳化所产生的，含量很少，并且对比不同镍铁渣粉掺量和不同龄期的衍射图谱可知，CaCO3的衍射峰值均相似，说明该试样过程中CO2对不同组水泥石碳化的影响均相同。

(5) SiO2。SiO2主要来源于水泥本身的组成成分，由于SiO2的结晶度较高，所以在衍射图谱中的衍射峰值较大，但其含量并不多。

图1 7 d水泥石XRD图谱

图2 28 d水泥石XRD图谱

图3 60 d水泥石XRD图谱

2.1.2 镍铁渣粉水泥土

图4、图5分别为镍铁渣粉水泥土试件A和试件C在不同龄期时的XRD衍射图谱。由图可知，未掺镍铁渣粉的试件A在7 d龄期时具有较强的钙矾石衍射峰，但是随着龄期的增加，钙矾石的衍射峰会变的越来越弱。

图4 试件A 不同龄期XRD衍射图谱

图5 试件C不同龄期XRD衍射图谱

2.2 微观孔结构分析

本次利用压汞仪对镍铁渣粉水泥土的微观孔结构进行试验分析，对比镍铁渣粉水泥土在不同配比不同龄期时孔结构的变化和差异，以此体现镍铁渣粉在水泥土中的作用效应。镍铁渣粉水泥土的孔径分布微分曲线见图6—图9。

图6 7 d龄期孔径分布图

图7 28 d龄期孔径分布图

图8 60 d龄期孔径分布图

图9 90 d龄期孔径分布图

2.3 镍铁渣粉-水泥浆-土的作用分析

为了更加直观的观察镍铁渣粉、水泥水化产物和土颗粒之间的相互作用，本研究将镍铁渣粉水泥土试块进行SEM试验分析，获得了镍铁渣粉水泥土在不同龄期时的微观结构，水泥的水化产物，镍铁渣粉填充与水化情况，见图10—图12。

7 d龄期时，镍铁渣粉水泥土试件A、B、C的结构均较为疏松，颗粒之间的胶结程度不是很好，还存在较多的离散颗粒，并且颗粒与颗粒之间的孔隙也还很大。掺有镍铁渣粉的水泥土试件C与试件A相比，试件C的结构更加疏松，镍铁渣粉没有参与反应，只是以颗粒的形式填充于土颗粒之间。

28 d龄期时，试件A、B、C的微观结构明显变得更加致密，生成了大量的水化产物，并且大部分的土颗粒表面已经被水化产物覆盖，水化产物把土颗粒相互连接起来，形成了一个整体性更好、强度更高的物体。

图10 7 d龄期扫描电镜图

图11 28 d龄期扫描电镜图

图12 60 d龄期扫描电镜图

60 d龄期时，试件A、B、C的微观结构均已经变的非常致密，孔隙几乎都被水化产物所填充，整体性变得非常好，镍铁渣粉表面也覆盖了大量的水化生成物，试件C中仍然可以看到部分的钙矾石晶体。

3 小 结

本文分别利用了X射线衍射仪、压汞仪和SEM三种试验仪器进行试验研究，获得了不同龄期时不同镍铁渣粉掺量对水泥水化产物、水泥土微观结构与孔隙大小等的影响。

具体结论如下：

(1) XRD试验研究发现，掺与不掺镍铁渣粉对水泥水化产物的种类并无影响，均主要为Ca(OH)2、C3S、C2S、CaCO3和SiO2这五种物相。28 d龄期后，掺有镍铁渣粉的试验组中Ca(OH)2的衍射峰会变弱，同时镍铁渣粉水泥土XRD衍射图谱中钙矾石的衍射峰变的越来越大，其主要原因是28 d龄期以后，镍铁渣粉的活性被更大程度的被激发，会与水化产物Ca(OH)2反应生成钙矾石。

(2) 7 d和28 d龄期时试件A和试件B具有相似的孔径分布微分曲线，孔径的分布情况大致相同，但是试件C则还出现了较多20.3 nm的孔径。60 d龄期时，随着各组水泥土的孔隙率进一步减小，镍铁渣粉水泥土的孔径分布微分曲线则出现了多个峰值的现象。从而说明60 d龄期时镍铁渣粉水泥土中小孔隙逐渐变为孔隙的主要占比，小孔隙的孔径主要集中在20 nm左右。

(3) 60 d龄期以后，试件B的总孔隙体积和最可几孔径逐渐减小，并且到了90 d龄期时，试件B的孔径主要是443 nm的孔径，而小孔径很少，试件C则除了具有与试件B一样在443 nm附近的孔径外，其在内部还具有21.4 nm孔径大小的小孔径，试件A也具有较多的小孔径，但其孔径比C组的大。

(4) 从SEM的照片可知，7 d龄期时镍铁渣粉水泥土中的水化产物较少，结构疏松，镍铁渣粉填充于土颗粒之中。28 d龄期以后，随着水泥水化的不断进行和镍铁渣粉潜在活性的发挥，镍铁渣粉水泥土的结构变的越来越致密，土颗粒之间相互胶结，孔隙也被不断水化生成的水化物所填充。到60 d龄期时，掺有镍铁渣粉的水泥土具有与基准组水泥土相同的整体性和致密性，并且此时镍铁渣粉的活性还在进一步发挥，在试件C中仍然可以看到部分的钙矾石晶体。

通过综合分析镍铁渣粉的掺入对水泥土产生的影响，并确定满足工程建设要求的较优的镍铁渣粉掺量值，从而为沿海地区工程建设的地基处理提供理论支持。